右旋糖酐酶结构、性质及其应用研究进展

李配婷，范广宇，蓝雨丝，刘楠楠,

（1.江苏海洋大学，江苏连云港 222005；2.江苏省海洋资源开发研究院（连云港），江苏省海洋生物资源与环境重点实验室，江苏连云港 222005；3.连云港海关，江苏连云港 222042）

右旋糖酐是由肠膜明串珠菌（）和链球菌（）等微生物以蔗糖为底物，在右旋糖酐蔗糖酶的作用下合成的-D-吡喃葡聚糖，主要由-1,6 糖苷键构成，并含有少量的-1,2、-1,3、-1,4 分支。右旋糖酐的分子量范围分布广，从5 kDa 到500 kDa。右旋糖酐因分子质量（Mw）和分支度不同有不同的应用价值，被广泛用于医药及化工等行业，但分子量较大的右旋糖酐是蔗糖行业的主要污染物，会增加蔗汁的粘度，延长结晶时间，影响目标产品的产量和质量，给蔗糖行业带来严重的经济损失。

目前，降解右旋糖酐的方法很多，常见的是酸解法和酶解法，酸解法耗能高、污染大，而酶解法反应温和，反应速度快，可以与右旋糖酐发酵同时进行。右旋糖酐酶可专一性地水解右旋糖酐中的-1,6 糖苷键，广泛应用于医药、食品、口腔等各个行业。在制糖工业中，右旋糖酐酶可以水解蔗汁中的右旋糖酐，降低蔗汁的粘度，防止仪器堵塞，加快结晶效率，增加目标产品的回收率和质量。右旋糖酐酶在降解右旋糖酐的同时生成的主要产物异麦芽低聚糖，能够促进肠道内有益菌的增殖、抑制有害菌的形成，促进肠道的蠕动并且异麦芽低聚糖还具有耐酸耐高温及良好的持水性等功效，已被成功添加到饲料、保健品、乳制品、饼干小食品及烘焙食品中，发挥其重要功能。

右旋糖酐酶存在于多种微生物中，不同微生物来源的右旋糖酐酶其酶学性质差距较大，酶活容易受外界因素（如温度、pH 等）的影响，并且随着保存及反应时间的延长而衰减，游离的右旋糖酐酶保存时间短并且不易与目标产品分离，这些因素限制右旋糖酐酶在食品工业中的应用。近年来，国内外学者聚焦于右旋糖酐酶酶学性质的改善，优化产酶条件、通过酶分子的改造构建工程菌、诱变技术诱发突变体、酶固定化技术等已被实验验证在提高右旋糖酐酶产酶量、酶的耐热性能、酶的稳定性等方面有不同程度的作用。文章将对右旋糖酐酶的结构和分类、右旋糖酐酶产酶菌株的筛选、酶学性质改善技术及应用进展进行综述，以期右旋糖酐酶能够更好地应用于食品工业中。

1 右旋糖酐酶的分类和结构

根据催化反应类型，可以将右旋糖酐酶分为内切型右旋糖酐酶（endodextranase,EC3.2.1.11）和外切型右旋糖酐酶（exodextranase,EC3.2.1.70）。内切型右旋糖酐酶随机内切水解右旋糖酐的-1,6 糖苷键，根据产酶微生物的来源和底物不同，水解产物各有差别，主要是异麦芽糖、异麦芽三糖、葡萄糖和异麦芽寡糖等的混合物。外切型右旋糖酐酶从右旋糖酐链的还原端或非还原端一次切掉1～3 个葡萄糖基，分别可以得到葡萄糖、异麦芽糖和异麦芽三糖。根据氨基酸序列同源性，右旋糖酐酶被列入GH49和GH66 家族，其主要结构之间存在较大差异：GH49家族的右旋糖酐酶（Aodex）主要有结构域N 和催化结构域C（见图1A），GH66 家族的右旋糖酐酶（SmDex）主要包括催化结构域A、结构域N 和碳水化合物结合结构域C（见图1B）。通过定点突变技术将AoDex 中的五个氨基酸突变为甘氨酸，突变体经发酵表达后，发现Q418、D420、E423、D439 四处的氨基酸经突变后，右旋糖酐酶几乎没有酶活力，最终确定了这四个氨基酸残基是右旋糖酐酶（AoDex）催化域中的关键氨基酸。GH66 家族的右旋糖酐酶利用葡聚糖作为底物，通过分子内转糖基化作用从葡聚糖合成低聚环异麦芽糖。用亲和标记试剂1-乙基-3-[3-（二甲氨基）-丙基]-碳二亚胺（EDC）和-环氧烷基-葡糖苷（EAG）修饰酶，发现若Asp189、Asp340、Glu412 被替换，右旋糖酐酶（SmDex）将失去活性。解析右旋糖酐酶的结构对理解该酶反应机制非常重要。目前右旋糖酐酶蛋白的解析手段有X 射线晶体衍射法、核磁共振及冷冻电镜等技术，几种解析手段各有优缺点，在后续研究中，可以结合多种手段更精确地解析右旋糖酐酶的结构，并进一步认识右旋糖酐酶的作用机制从而提高对功能预测的准确度及改造效率。与此同时，随着蛋白质模板的增多、序列搜索技术和比对工具的优化以及片段拼接方法的发展，人工智能得到飞速发展，构建重组氨基酸序列，合成目标右旋糖酐酶，可有效提高酶的改造效率，扩展其应用领域。

图1 GH49 家族的右旋糖酐酶AoDex（A）和GH66 家族的右旋糖酐酶SmDex（B）的结构Fig.1 The structure of the dextranase AoDex（A）of the GH49 family and the dextranase SmDex（B）of the GH66 family

2 右旋糖酐酶生产菌株

随着右旋糖酐酶及其水解产物的需求不断增大，对右旋糖酐酶的开发也随之增多。右旋糖酐酶的来源非常丰富，真菌、细菌、酵母等不同微生物来源的右旋糖酐酶在酶学性质等方面呈现出差异，见表1。对不同来源右旋糖酐酶的酶学性质的研究主要集中在所产右旋糖酐酶的最大产酶量（即最大酶活）、酶的分子量、右旋糖酐酶的最佳反应条件（包括最佳作用温度和pH）、以及右旋糖酐酶的稳定性等。不同右旋糖酐酶的酶活差距较大，其中来自sp.NK458菌株所产右旋糖酐酶的酶产量高达900 U/mL。右旋糖酐酶的分子量主要分布在40～140 kDa 之间，也有例外，其中，分泌的右旋糖酐酶的分子量为26.5±1.5 kDa，KIBGE-IB25所产的右旋糖酐酶的分子量为158 kDa。酶的最适反应温度集中在40～60 ℃，不同的最适作用温度有不同的工业应用价值，sp GN02菌株所产右旋糖酐酶的最适反应温度为20 ℃，若用于工业生产，能大大降低能耗；从澳大利亚大自流盆地的热水中分离出一种革兰氏阴性产孢嗜热厌氧菌产右旋糖酐酶的最适反应温度高达70 ℃，可用于制糖业的煮糖工艺中降解右旋糖酐。右旋糖酐酶的最适pH 多集中在4.5～7.0 之间，sp.NK458 适合在碱性环境中反应，最适反应pH 为9.0，可以根据作用环境的酸碱性选择满足需要的右旋糖酐酶。另外，右旋糖酐酶的酶活力随着反应时间的延长而衰减，直至失活，因此右旋糖酐酶的不同环境下稳定性也是专家学者重点关注的点，LP621菌株所产的右旋糖酐酶在在80 ℃条件下作用2 h时仍能够保留58%的相对酶活，适合在高温环境下作用。

表1 不同微生物来源的右旋糖酐酶及酶学性质Table 1 Dextranase from different microorganisms and their enzymatic properties

3 右旋糖酐酶酶活及酶学性质改进技术

不同来源的右旋糖酐酶被开发，探索范围也从陆地微生物向海洋微生物发展。但大多数野生菌株右旋糖酐酶产量普遍不高，酶学性质难以满足工业生产的需求，需要有效的技术来提高右旋糖酐酶的产量和改善酶学性质，减缓酶活下降速度，延长右旋糖酐酶保存时间。目前已报道的技术有：优化产酶条件、通过酶分子改造构建工程菌、化学或物理方法创建突变体、酶固定化技术等。

3.1 产酶条件的优化

影响产酶的因素主要有碳源、氮源、温度、初始pH、装瓶量、转速等，产酶条件的优化技术主要是在单因素基础上，通过有效的实验工具（如正交化试验、响应面技术等）确定多变量系统的最优条件，提高酶产量，进而促进工业化生产。麻少莹等通过正交实试验设计，优化并确定最佳发酵条件，优化后，菌株酶活力由原来的79.0 U/mL 提高到231.5 U/mL，酶活力提高了193%。杨齐等通过响应面法优化腐皮镰刀菌（）产右旋糖酐酶的发酵培养基，右旋糖酐酶活力从98 U/mL 提升至228 U/mL，酶活力提升了1.3 倍；黄瑞杰等利用响应面法对圆弧青霉（）产右旋糖酐酶的发酵培养基的装瓶量、温度、初始pH、摇床转速四个因素进行优化，右旋糖酐酶的酶活力较优化前提高了30.10%±0.08%；曹研研等通过响应面优化技术对棘孢青霉菌F1001 产右旋糖酐酶的发酵条件中的蛋白胨和诱导剂右旋糖酐的添加量以及装瓶量三个因素进行优化，优化后右旋糖酐酶的酶活力高达453 U/mL，比优化前提高了88%。

3.2 通过酶分子改造构建工程菌

右旋糖酐酶存在于多种微生物中，安全问题和生产率一直是工业应用的制约因素。为了解决这些问题，研究人员专注于构建工程菌提高右旋糖酐酶产量，进一步改善右旋糖酐酶酶学性质并解析水解产物，以满足食品、医药和化工等行业的巨大需求。目前已通过克隆成功表达的宿主有大肠杆菌（）、毕赤酵母（）、酿酒酵母（）等，通过构建工程菌成功提高了重组右旋糖酐酶的酶活并且酶学性质得到了改善：如吴敏等通过克隆棘孢青霉右旋糖酐酶基因并在毕赤酵母中表达，用甲醇诱导并优化培养条件后，重组右旋糖酐酶的酶活力高达240.74 U/mL；董冬雪等通过截短酶蛋白序列N 端和C 端方式改造海洋氧化节杆菌KQ11 右旋糖酐酶,结果N 端和C 端截短后突变酶的最适温度较野生菌均提高了5 ℃，其中N 端截短的突变酶最适pH 由5.5 变为7.5，并且小分子量水解产物含量较野生菌显著提高。

3.3 创建突变体

酶的结构决定酶学性质从而影响其功能，大量的研究通过物理诱变如紫外线（UV）照射技术、常压和室温等离子体（ARTP）等技术诱发突变体，提高产酶量并改善酶学性质。Zohra 等通过用UV 照射地衣芽孢（）获得的最高产酶突变体产酶量是野生菌株的7 倍。Wang 等通过采用ARTP 技术诱变KQ11 菌株，突变菌株的酶活比野生菌株高出50%。乙基甲基砜（EMS）是一种广泛使用的化学诱变剂，已被广泛用于微生物物种的改造。Yang 等通过ARTP-EMS 联用技术诱变野生型球毛壳菌（），突变菌株第578 位的氨基酸残基从His 变为Leu，这种改变使得酶在70 ℃条件具有更好的热稳定性并且酶的最大产量高达824.73 U/mL，极大地提高了酶的产量及在高温下的稳定性。

3.4 固定化酶

酶活力随着时间的延长而逐渐衰减，甚至在不利条件（如温度和pH）下，酶的活力骤减至失活，并且游离态的右旋糖酐酶重复利用率低，而将右旋糖酐酶固定在载体上可以促进酶催化剂的回收，增加酶在不利条件下（如温度和pH）的稳定性。目前已成功固定右旋糖酐酶的载体有亲水性聚乙烯亚胺（PEI）改性磁性氧化石墨烯（GO）复合材料（FeO@PDA@GOPEI）载体，羟基磷灰石载体等。固定在FeO@PDA@GO-PEI 载体上的右旋糖酐酶在60 ℃保存10 h 后，仍有80%的相对酶活；固定化的酶酶活下降明显放缓，重复使用20 次后，仍留有85.78%的相对酶活。本实验室筛选并纯化的右旋糖酐酶固定在本实验室自己自备的羟基磷灰石载体上，第30 次使用，固定化的右旋糖酐酶酶水解能力保持在70%以上，并且固定化右旋糖酐酶在20 ℃条件下能够稳定保存99 d 以上，显著延长了酶的保存期限及提高了右旋糖酐酶的重复使用效率。

4 右旋糖酐酶的应用

4.1 生产低聚糖

根据以往报道，右旋糖酐酶水解右旋糖酐受底物分子量及右旋糖酐酶浓度影响显著，产物随底物分子量及酶浓度不同而发生改变，主要包括低聚合度的右旋糖酐和异麦芽低聚糖，部分产物里面还有葡萄糖。其中酶解产物异麦芽低聚糖因具有改善肠道菌群结构，调节机体代谢等益生元的功效而受到广泛的关注，已被成功添加于饮料、乳制品、烘焙食品及动物饲料中。目前，工业上生产异麦芽低聚糖的方法主要是淀粉经液化、糖化、转苷、分离纯化得到，此法操作繁琐，并且产品中功能性糖分占比较低。研究表明用右旋糖酐蔗糖酶的转糖基或用右旋糖酐酶降解葡聚糖能够得到各种聚合度的葡聚糖，但由于单一的游离的酶制取低聚糖时，很难控制产物的分子量及生成比例，并且酶的重复利用率低，导致酶的使用成本高，需要更为有效的方法来实现，以促进酶在制取功能性低聚糖方面得到更好的应用。右旋糖酐酶和右旋糖酐蔗糖酶共固定化技术在低聚糖的制备过程中具有协同作用的优势：如Huang 等建立双酶和受体反应体系，通过调整右旋糖酐酶和右旋糖酐蔗糖酶的酶活比，控制相应分子量（Mw）低聚糖（IMO）的生成比例；Bertrand 等通过将右旋糖酐酶固定在环氧活化的整体对流相互作用介质（CIM®）盘上，发现固定后的右旋糖酐酶酶促降解速度比游离态的右旋糖酐酶快5 倍，通过调整固定化酶的数量、底物浓度和流速定量生产聚合度为8～10 的低聚异麦芽糖。

4.2 蔗糖行业的应用

在蔗糖行业中，由于微生物的污染，糖液中右旋糖酐的浓度会升高，形成“蔗饭”。高分子右旋糖酐的积累会增加蔗汁粘度、减慢过滤速度、降低蒸发速率、拉长晶体形状，影响产品的产量和质量，带来非常严重的经济损失。右旋糖酐是白砂糖酸性絮凝物的主要成分，右旋糖酐含量过高的糖产品用于饮料中，饮料容易产生絮凝物浑浊，用于糖果或巧克力制作中，容易引起糖果和巧克力成型困难，糖衣开裂等问题。在制糖过程中，做好车间卫生管理，使用杀菌剂等在一定程度上可以减少微生物的污染，从而降低右旋糖酐的生成，但对于已生成的右旋糖酐最好的方法就是用右旋糖酐酶降解右旋糖酐，生成小分子的糖类。目前，美国、澳大利亚、泰国、日本等国家的部分糖厂已经在生产中添加成熟的商用右旋糖酐酶制剂来提高澄清、蒸发速率并且提高煮炼回收率等，使制糖生产过程的操作更加顺利，工业应用效果明显，并产生了一定的经济效益。国内也有右旋糖酐酶用于降解蔗汁中右旋糖酐含量从而在部分指标得到改善的相关研究，如贺湘等通过模拟糖厂实际生产流程进行发现在预灰前，在混合汁中加入10 mg/kg 葡聚糖酶，经一系列流程后，葡聚糖含量减少了61.32%，沉降时间减少了13.30%，简纯度提高了0.65%。刘乐等在蔗汁中添加氧化节杆菌KQ11 右旋糖酐酶，发现在超声功率600 W、pH6.5，温度为50 ℃条件下，0.1 U/mL甘蔗汁的酶剂量可以在15 min 之内清除甘蔗汁内83%的右旋糖酐并且将甘蔗汁的粘度降低20%。陆海勤等通过在混合汁中添加了细丽毛壳球菌发酵生产的右旋糖酐酶降解右旋糖酐，用常规的亚硫酸法工艺进行澄清处理后，发现过滤速度和沉降速度均得到了提高，淸汁浑浊度和色值均得到了不同程度的降低，并且还在不同工艺位点添加该右旋糖酐酶，右旋糖酐的含量也有不同程度的减少。但是这些研究所用到的右旋糖酐酶有的是从国外购买，有的酶产量不高，离制备成商业制剂用于工业生产中还有一定的距离，从国外购买的商业酶制剂价格昂贵，导致右旋糖酐酶在国内糖厂的应用暂时没有得到普及。专家学者们致力于筛选出产右旋糖酐酶的菌株并运用相关技术提高酶活性，改善其在高温条件下的稳定性，为大规模生产用于制糖工业的右旋糖酐酶酶制剂打下基础，如李卫娟筛选到一株海洋细菌KQ11，其在优化条件下产右旋糖酐酶的酶活力为4.697 U/mL；顾莉莉通过重组球毛壳菌右旋糖酐酶基因，并在毕赤酵母中异源表达，重组的右旋糖酐酶酶活力由初始的2.692 U/mL 提高至47.915 U/mL，纯化后的酶最适作用温度高达60 ℃；黄曾慰等利用重组黄青霉（）右旋糖酐酶基因在毕赤酵母（）中表达后经发酵罐发酵，酶活达到1218 U/mL，虽与商业酶制剂的30000 U/mL有一定差距，但产酶水平已取得了突破性进展，具有大规模生产的潜力。

5 总结与展望

右旋糖酐酶及其水解产物的应用引起了国内外学者的关注，不同微生物来源的右旋糖酐酶已被成功纯化并且通过优化产酶条件、改造酶分子构建工程菌（克隆技术）、酶固定化等技术不同程度地改善了酶活、酶的耐热性能及酶的稳定性等，总结改进方法，发现固定化技术及克隆技术更有应用前景，并且部分纯化的右旋糖酐酶已通过固定化技术作为商业酶制剂被添加于漱口水、牙膏等产品中。但由于固定化技术和克隆技术还处于发展阶段，国内右旋糖酐酶在制糖行业的应用大多处于实验室阶段，制糖行业所用右旋糖酐酶酶制剂大多从国外购入，使用成本较高，导致右旋糖酐酶在制糖工业中的应用没有得到普及，随着固定化技术和基因工程技术发展的逐渐成熟，右旋糖酐酶在制糖工业中将会得到更为广泛的应用。